第四章 力敏传感器

§4—1

应变电阻传感器学习目标1.掌握电阻应变片的结构、原理、特点及分类。2.熟悉电阻应变片的基本参数。3.熟悉应变电阻传感器转换电路。4.能根据实际应用场合正确选用电阻应变片。相关知识一、电阻应变片的结构、原理、特点及分类1.电阻应变片的结构和原理电阻应变片的工作原理是利用导体或半导体材料的电阻应变效应，即导体或半导体材料在外力作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化的现象。实验表明，在金属丝的弹性变形范围内，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，当金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。应变片利用应变效应，通过测量电阻的变化而对应变进行测量。金属应变片的电阻变化率与轴向应变成正比例关系。-----金属丝轴向应变电阻丝应变片结构示意图1-电阻丝2-基底3-覆盖层4-引出线2.电阻应变片的特点和分类应变片分为金属应变片及半导体应变片两大类。金属应变片又按敏感栅的形式分成丝式、箔式和薄膜式三种。半导体应变片使用最多的材料是是单晶硅半导体。半导体应变片具有灵敏度高、动态响应好、准确度高、易于微型化和集成化等特点。名称特点丝式制造简单、价格便宜、性能稳定、易于粘贴等优点，但蠕变较大，金属丝易脱胶，逐渐被箔式所取代，多用于大批量、一次性试验箔式表面积与截面积之比大，散热条件好，允许通过较大电流，从而增大输出信号，提高灵敏度；可根据测量需要制成任意形状，在制造工艺上能保证敏感栅尺寸准确线条均匀；具有较好的可挠性，有利于粘贴及应变的传递；易加工，适于批量生产薄膜式应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产，但难以控制电阻与温度和时间的变化关系，是一种很有前途的新型应变片二、电阻应变片的基本参数1.几何尺寸与电阻值R0应变片的规格以使用面积和电阻值表示，如（3×10）mm2，120Ω。2.应变片的灵敏系数K3.应变片允许工作电流4.应变极限5.横向效应三、电阻应变片的选用1.电阻应变片的选择（1）应变片结构形式的选择选择应变片的形式是根据应变测量的目的、被测试件的材料及其应力状态以及测量精度。

（2）应变片使用温度的选择根据使用温度选用符合要求的敏感栅和基底材料的应变片。

（3）电阻值的选择依据测量电路或仪器选定应变片的标称阻值。

（4）应变片尺寸的选择选择应变片尺寸时应考虑应力分布、动静态测量、弹性体应变区大小等因素。

2.电阻应变片的应用举例当壳体与被测物体一起做加速度运动时，由于质量块的惯性使悬臂梁发生弯曲变形，粘贴在悬臂梁上的应变片随之发生形变，其阻值发生相应变化，通过测量其阻值变化可求出待测物体的加速度。应变式加速度传感器的外形和结构示意图

ａ)外形ｂ)结构示意图

１—质量块２—弹性悬臂梁３—应变片４—机座外壳

四、转换电路应变电阻传感器主要由电阻应变片和测量转换电路等组成。用电阻应变片测试应变时，将应变片粘贴在试件表面。当试件受力变形后，应变片电阻值发生变化。但应变片阻值变化较小，为了方便显示或记录，还要把电阻的变化转换为电压或电流的变化，通常采用电桥电路测量微小阻值变化。

（a）四臂直流电桥电路(b)单臂半桥电桥电路

(c)双臂半桥电桥电路(d)四臂全桥电桥电路当四个桥臂的初始电阻满足时，桥路输出电压为零，即桥路平衡。当应变电阻阻值发生变化时，电桥的输出电压三种工作方式中，四臂全桥电桥电路灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。双臂半桥或全桥的另一好处是可以将应变片的温度误差和非线性误差相互抵消，提高测量精度。§4—2

压电式传感器学习目标1.掌握压电式传感器的结构、原理、分类和特点。2.熟悉压电元件的基本参数。3.掌握压电元件的等效电路和压电式传感器的测量转换电路。4.能根据实际应用场合正确选用压电式传感器。相关知识一、压电式传感器的结构、原理、特点及分类1.压电式传感器的结构和原理压电式传感器是一种双向有源传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。某些电介质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在其两个表面上生成符号相反的电荷，当外力去掉后，又会恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。压电效应属于将机械能转化为电能的一种效应。反之，在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或叫做电致伸缩效应。它属于将电能转化为机械能的一种效应。压电式传感器是以具有压电效应的压电元件为核心组成的传感器。当外力作用到压电元件表面时会产生电荷，从而实现非电物理量到电量转换。常见的压电式传感器2.压电材料特点和分类用于制作压电元件的压电材料一般分为三大类：一是压电晶体（单晶），它包括石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷；三是新型压电材料，其中有压电半导体和有机高分子压电材料两种。石英晶体薄片压电陶瓷二、压电材料的主要特性参数1.压电常数压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电元件输出的灵敏度。2.弹性常数压电材料的弹性常数、刚度决定着压电元件的固有频率和动态特性。3.介电常数对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。4.机械耦合系数在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。5.压电材料的绝缘电阻绝缘电阻大时将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。6.居里点压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。三、压电元件的等效电路压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的等效电路，也可以等效为一个电容与一个电压源串联的形式。

只有在外电路负载为无穷大，且内部无漏电时，电荷源才能保持长期不变，如果负载不是无穷大，则电路就会按指数规律放电，而只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此压电传感器不适宜静态测量，只适用于动态测量。压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常两片或两片以上粘结在一起使用，有串联和并联两种接法。串联常用于以电压为输出的场合：并联常用于以电荷为输出的场合：四、压电传感器的测量转换电路压电传感器的输出电压非常小，一般需要将电信号放大才能测量。根据压电元件的两种等效电路，与压电元件配套的测量转换电路的前置放大器也有两种形式：一种是电压前置放大器，其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压

与输入电荷成正比。

目前多采用性能稳定的电荷放大器五、压电传感器的应用压电式传感器是一种会发电的传感器，具有体积小、质量轻、工作频带宽、灵敏度及测量精度高等特点，又由于其内部没有运动部件。因此，其结构坚固，可靠性和稳定性高，是工业实践中比较常用的一种传感器。

§4—3

液体（气体）压力传感器学习目标1.掌握压力的基本概念。2.掌握液体(气体)压力传感器的结构与原理。3.了解液体(气体)压力传感器的应用。相关知识一、压力的基本概念检测领域和工业中的压力指的是物理学中的压强，单位“帕斯卡”，简称“帕”（Pa），1Pa表示1N（牛）的力垂直而均匀地作用于1m2面积上的压力。根据不同的测量条件，压力分为绝对压力和相对压力，相对压力又分为差压和表压。测量压力的传感器可分为绝对压力传感器、差压传感器和表压传感器。

1.绝对压力绝对压力是相对于密封在绝对压力传感器内部的基准真空（零压力参考点）而言的，是以真空为起点的压力。2.差压差压是指两个压力和之差，又称压力差。

3.表压表压是差压的特殊情况，以环境大气压为参考基准。差压传感器一侧向大气敞开，形成表压传感器。医生测量血压时，实际测量的是人体血压与大气压力之差，即表压。工业生产中所提到的压力大部分是表压。膜盒波纹管二、气体（液体）压力传感器的结构及应用1.液柱式压力表液柱式压力表是以液体静力学原理为基础制成的压力表，通过液柱高度来反映被测压力的大小。U形玻璃管内液柱所产生的重力与被测压力平衡，根据液柱高度差来确定被压力大小。

当时，左右两管中液体的高度相等；

当时，U形管两管内的液面会产生高度差，设高度差为，依据液体静力学原理有，被测压力差正比于两个液柱的高度差。液柱式压力表2.压阻式固态压力传感器

压阻式固态压力传感器是利用半导体材料的压阻效应和集成电路工艺制成的传感器，也称固态传感器，它利用压阻效应把气体（液体）压力转换为电阻阻值变化。压阻式固态压力传感器由外壳、硅膜片、硅杯和引线等结构组成,其核心部件是一片方形硅膜片，在它上面制作了四个阻值相等的应变电阻。

封装结构硅膜片及应变片

1.低压腔2.高压腔3.硅杯1.单晶硅膜片2.扩散型应变片

4.引线5.硅膜片3.扩散电阻引线4.电极及引线当硅杯两侧存在压力差时，硅膜片产生变形，四个应变电阻在应力作用下，阻值发生变化，其中距圆心近，承受的应变是正的（拉应变），处于膜片的边缘区，承受的应变是负的（压应变）。四个电阻之间利用面积相对较大、阻值较小的扩散电阻引线连接构成四臂全桥。当硅杯两侧存在压力差时，硅膜片发生变形，四个应变电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出电压与硅膜片两侧压差成正比。3.波纹管式压力传感器波纹管式压力传感器是把气体压力转换为电感线圈中的电感量的变化，它的测量气路有背压式和差压式两种形式。这两种测量气路精确度相同，但差动式测量气路比背压式的测量范围大一倍。背压式测量气路

差压式测量气路

4.差动电容式差压变送器差动电容式差压变送器（是把压力差转换为电容的变化，它的核心结构是热胀冷缩系数很小的两个凹形玻璃（或绝缘陶瓷）圆片上的镀金膜片作为定极板，两个凹形镀金膜片与夹在它们中间的弹性平膜片组成电容。

差动电容式差压变送器结构示意图1—高压侧进气口2—低压侧进气口3—过滤片4—空腔5—柔性不锈钢波纹隔离膜片6—导压硅油

7—凹形玻璃圆片8—镀金凹形电极9—弹性平膜片10—腔11—铝合金外壳